一种基于时域信号处理的同频干扰抑制方法

闫冯军,汪永军

(中国电子科技集团公司第三十八研究所,合肥 230088)

一种基于时域信号处理的同频干扰抑制方法

闫冯军,汪永军

(中国电子科技集团公司第三十八研究所,合肥 230088)

摘要：船用导航雷达工作时同时开机数量多、距离近、频率等参数相同或相近,故同频干扰已成为急需解决的问题。本文介绍了同频干扰的产生机理和特性,分析了抗同频干扰的常规方法及其局限性,重点阐述了一种抗同频干扰时域信号处理技术。仿真和试验结果验证了该方法的有效性。

关键词:船用导航雷达；同频干扰；脉冲相关；视频积累

0引言

在近海特别是在港口附近时,由于同时开机的雷达频率相同或相近,会出现严重的同频干扰现象,且数量越多、距离越近干扰就越严重。同频干扰会导致接收机饱和,影响回波画面、目标检测和跟踪性能等[1]。对于船用导航雷达而言,由于其磁控管自动频率调谐特性和使用环境的特殊性等,决定了常规的抗同频干扰方法失效或抑制效果有限[2]。本文从船用导航雷达信号处理的角度,介绍了一种时域抗同频干扰的方法,并进行理论仿真和实验室、近海试验。

1同频干扰描述

1.1　同频干扰特性

由于单站雷达距离相距较远且数量有限,陆基雷达同频干扰现象不是很严重。而对于船用导航雷达则不同,同一条船上可能会安装多部雷达,且船只距离近、视野通透和数量多,同频干扰越来越成为船用导航雷达必须解决的问题。船用导航雷达的同频干扰分为同频同步干扰和同频异步干扰。同型雷达出厂前参数基本相同或相近。公式(1)中的△t为任意两部同型雷达间的干扰参数:

(1)

一般认为△t小于发射脉冲宽度时雷达相互干扰为同步干扰。同步干扰在雷达显示器上的画面表现为占有一定宽度的同心圆。同时开机雷达的数量越多同心圆就越多。干扰的宽度与雷达的发射脉宽相匹配。同心圆根据重复频率的细微变化也会出现向外(内)缓慢移动。典型的同频同步干扰画面如图1所示。如果雷达脉冲重复周期间的参差度很高,或者通过人为改变相邻重复周期的脉冲间隔(即将同步干扰异步化),此时一般△t大于发射脉冲宽度,雷达显示器上出现异步干扰,画面表现为向外扩展的螺旋线,同时开机雷达数量越多,螺旋线也越多,并在方位上不断转动[3]。船用导航雷达的抗同频干扰能力已成为衡量其性能的一项重要指标。

图1　同频同步干扰

图2　同频异步干扰

1.2　常规方法局限性

常规的雷达抗同频干扰方法有采用低副瓣天线、错开雷达频点(如宽带跳频或捷变频技术)、错开雷达发射周期和反异步相关等。其中低副瓣天线属于微波范畴,本文不作讨论。将同型雷达工作频点错开,能够避免相互干扰,这种方法理论上效果很好,但由于接收机镜像频率、频综杂散以及滤波器带宽展宽等影响,很难做到完全消除。同时,船用导航雷达一般基于磁控管自动频率调谐处理,无法实现跳频。相邻周期反异步处理,通过将同型雷达脉冲重复周期参差化,同时对同一距离单元相邻周期信号作比较,如果信号相同或满足差异准则就判为正常回波输出,否则判为同频干扰禁止。当发射脉冲宽度较大、脉冲间参差度小以及同时开机雷达数目多的时候,这种方法抑制效果非常有限,画面上仍然会出现快变的螺旋线干扰和斑状干扰。同时,这种处理方法对于低信噪比小目标以及淹没在干扰单元内的目标容易误判和丢失。

2时域信号处理技术

2.1　功能框图

图3所示为抗同频干扰时域信号处理技术框图,主要包括综合时序控制模块、改进型反异步相关模块和视频积累模块等。

图3　抗同频干扰时域处理功能框图

2.2　综合时序控制

设船用导航雷达发射信号为

(2)

其中

(3)

其中,Tr为脉冲重复周期,φ(t)为相位,f0为载频,τ为脉冲宽度,A为信号幅度。船用导航雷达一般为磁控管体制,重复周期间相位非相参,送往信号处理的回波信号是经过检波后的视频信号,只含时域上的幅度信息,表达式如公式(4)所示,其中k(t)为散射系数。

(4)

如果同型雷达按照上述的参数产生发射波形,多部雷达间必然产生同频干扰。在波形时序设计上,一般采用多周期脉间参差的方法,简单的脉间参差理论上可将干扰错开,但当同时开机的雷达数量多、距离近,天线的副瓣性能差时,抑制效果非常有限。为此,本文提出了一种三脉间随机参差的时序产生方法,对于同型雷达在脉间参差基础上增加了随机参数产生和干扰模式修正功能。此时对应公式(3)中的Tr是三脉冲参差循环的,同时叠加了随机参数ε和动态干扰模式修正参数,即Tr是时间t的函数,则综合后的相邻三重复周期值Tr1、Tr2、Tr3分别为Tr1(t)、Tr2(t)+ε、Tr3(t)+2ε,其中ε为关联开机时刻状态的随机参数,而干扰模式修正可在三脉冲周期的任意时刻进行,通过上述的时序控制设计进一步保证了多部雷达同时开机时的非相关性。在三脉冲参差量的选择上要确保以下三点:一要保证相邻脉间同频干扰能错开多个距离分辨单元；由于重复周期变化影响雷达平均功率,二要保证在不同工作模式下目标作用距离不受影响[4]；三要保证在不同的量程下目标在距离上不会出现模糊。

2.3　改进型三脉冲相关反异步处理

将同步干扰异步化后,常规的相邻周期反异步基本原理是,将当前周期距离单元上的信号和上一周期同一距离单元上的信号作比较,相邻周期信号相同则判为正常回波信号,否则判为异步干扰信号。如果采用三脉冲相关反异步,则关联连续3个脉冲重复周期的回波信号作比较,进行正常回波与干扰的判别[5]。

这种简单的反异步处理虽能取得一定的干扰抑制效果,但存在如下问题:

(1) 多周期比较准则很难建立,特别是船用导航雷达使用环境决定了目标脉间具有很大的起伏特性,对于低信噪比小目标则更加难以处理；

(2) 当同频干扰数量很多时,参差量的选择不能完全保证干扰在相邻周期内有足够大的幅度差异；

(3) 如果目标与干扰在处理周期内距离单元上重合,即目标淹没在干扰中时,反异步方法在消除干扰的同时也丢失了目标信号(干扰单元输出被禁止)[6]。为此,本文提出了一种改进型三脉冲相关反异步处理方法。首先依据正常通道视频回波,产生相邻连续3个周期回波信号,工程设计上用双口RAM读写实现延迟线处理。基于中间周期的数据进行判决,相应的后续其他实时数据和时序都与之对齐。然后将中间周期数据与前后周期数据作比较,考虑到船用导航雷达动平台环境下目标多周期起伏性,将幅度差异值设置较小,确保目标尤其是小目标不被误判舍弃。最后对于判决为目标的回波送原值,对于判决为干扰的回波进行三脉冲相关处理,输出其前后两个周期回波的平均值。

(5)

其中a,b为相互间隔一个重复周期的脉冲序号,1≤a≤3,1≤b≤3且b=rem[(a-1)/3],rem为求余函数。改进后的三脉冲相关反异步方法,对于误判的小目标,通过后续的前后两周期相关处理后几乎不损失,前后周期相关处理降低了多干扰源剩余,对于异步干扰则能更好地去除。同时相比于干扰单元直接“挖去”的常规做法,此方法可以最大程度地保留叠加或淹没在干扰单元中的目标。改进型三脉冲相关反异步处理方法的仿真图如图4所示,上半部分分别模拟了目标所在距离单元叠加了干扰、干扰单独出现和小目标信号3种情况,下半部分仿真了经过处理后的回波情况。可以看出,目标所在距离单元内的干扰被剔除的同时目标信号被最大限度保留,独立区域内的干扰信号被完全剔除,小目标信号没有被误判而丢失。

图4　改进型三脉冲相关反异步处理仿真图

2.4　视频积累

(6)

其中θα是雷达波瓣水平宽度角；θscan是天线扫描速率；fr是雷达脉冲重复频率,针对本文所述脉间参差的情况,fr取多周期最小值。滑窗宽度内始终保持同一距离单元内当前m个周期信号,设某一距离单元多周期的值为Ii,则雷达探测的第j个周期,该距离单元的Ij进入积累器,而最先的信号Ij-m离开积累器:

(7)

图5模拟了小目标信号及剩余干扰,图6仿真了8点视频积累后输出,可以看出剩余干扰进一步剔除,同时小目标的信噪比得到提高。

图5　剩余干扰和小目标示意图

图6　视频积累目标输出仿真图

3试验验证

抗同频干扰验证试验分别在实验室和港口进行。实验室环境下多台同型船用导航雷达同时开机,多台天线单元放置楼顶,天线单元相互距离小于5m。图7、图8为常规参差和反异步处理后的回波画面,可以看出当多部雷达同时开机时,局部区域出现随机斑状干扰和快变的拖尾干扰现象。图9所示为采用本文提出的抗同频干扰时域信号处理后的回波画面,可以看出同频干扰抑制效果很好,对于偶尔出现的少量干扰剩余还可以辅以手动抗干扰模式切换进行优化。港口环境下外场试验中,由于天线间隔距离大,抗干扰试验也得到了满意的结果。

图7　本文抗干扰处理前回波(一)

图8　本文抗干扰处理前回波(二)

图9　本文抗干扰处理后回波

4结束语

本文提出的抗同频干扰时域信号处理技术,主要应用于民用领域的船用导航雷达。针对同型雷达数量多、距离近及船舶大起伏动平台载体等港口和近海恶劣环境下,通过理论仿真并工程实现,验证了该方法的有效性,同时该方法对脉冲压缩体制等相参雷达的时域抗同频干扰处理也具有很好的借鉴意义。

参考文献:

[1]张润泽.船舶导航雷达[M].北京:人民交通出版社,1990:44-46.

[2]FURUNO.MARINE.RADAR/AUTO PLOTTER SERVICE MANUAL,1999:14-16.

[3]薛春祥,等.舰船雷达同频干扰来源分析及抗同频干扰的方法[J].雷达与对抗,2008(1).

[4]姚景顺,等.海上编队舰载雷达之间同频干扰的消除方法[J].现代雷达,2007,29(6).

[5]刘钢.相邻周期反异步抗同频干扰方法分析[J].舰船电子对抗,2010,33(6).

[6]李阳,等.同型雷达的抗同频干扰动目标显示处理[J].雷达与对抗,2011,31(4).

[7]Skolnik M I.Radar Handbook [M].2nd ed.New York:MoGraw-Hill,1990:504-531.

[8]侯民胜,等.相参积累法抑制同频雷达间干扰研究[J].电子测量技术,2008,31(6).

A shared frequency interference suppression method based on

time-domain signal processing technology

YAN Feng-jun, WANG Yong-jun

(No.38 Research Institute of CETC, Hefei 230088)

Abstract:Multiple adjacent marine navigation radars with the same or similar frequency are operating simultaneously. Therefore, the shared frequency interference has become an issue that needs to be solved urgently. The generation mechanism and characteristics of the shared frequency interference are introduced, and the conventional methods of resisting the shared frequency interference and their limitations are analyzed with an emphasis on the time-domain signal processing technology. The simulation and test results indicate that the method is effective.

Keywords:marine navigation radar; shared frequency interference; pulse correlation; video accumulation

中图分类号:TN911.7

文献标志码:A

文章编号:1009-0401(2015)04-0021-05

作者简介:闫冯军(1978-),男,高级工程师,硕士,研究方向:雷达信号处理；汪永军(1981-),男,高级工程师,硕士,研究方向:雷达终端处理。

收稿日期:2015-04-09